19 炭素鎖表現の系統化に基づく単糖および糖鎖構造の包摂関係表現○松原 正陽1、 山田 一作1、 木下 聖子2,3、 土屋 伸一郎2、 藤田 典昭3、 成松 久3
1野口研究所、2創価大学、3産業技術総合研究所 糖鎖技術研究グループ
トーゴーの日シンポジウム2015 ～統合データベースとオープンライフサイエンス～@東京大学弥生講堂 一条ホール（東京都文京区）

はじめにWURCS（Web3.0 Unique Representation of Carbohydrate Structures）
全ての糖鎖構造を一意に表現するための線形表記法
国際糖鎖構造リポジトリGlyTouCan（Poster23）に対応

SemanticWeb技術を利用して糖鎖関連情報を連携させる上での問題点の一つに、異なる糖鎖構造間の関係性の表現がある。 特に曖昧さの異なる構造間の包摂関係、例えばグルコースはヘキソースの一つである、というような関係は、予め定義しておく必要があるが、多種多様な構造情報を有する糖鎖において、その作業は非常に複雑で困難なものとなる。
我々は糖鎖関連データを統合化するために、国際糖鎖構造リポジトリ「GlyTouCan」やセマンティックウェブに対応させた糖鎖構造表記法であるWURCS (the Web3 UniqueRepresentation of Carbohydrate Structures)を開発している。WURCSは全ての糖鎖構造を一意に表現するための線形表記法であり、慣用表現に依らず糖鎖構造を表現する。
そこで我々は、WURCSを用いた糖鎖構造間の連携のために、 WURCSの文字列表現、特に炭素鎖表現についての系統化を行い、それによる包摂関係表現のための方法と、それを用いた糖鎖構造検索手法について検討した。

J Chem Inf Model. 2014 Jun 23;54(6):1558-66. doi: 10.1021/ci400571e.

WURCSにおける糖鎖構造

1. 糖鎖を部分構造に分割• 主鎖炭素鎖• 置換基• 炭素鎖間の結合• 配糖体※
2. 部分構造を文字列化• SkeletonCode• MOD（LIP+MAP）• LIN（GLIP+MAP）
3. 単糖およびグリコシド結合について各文字列を結合

目的
β-D-LacNAc

WURCSにおいて対応できていない一部の曖昧な構造状態を表現し、 WURCSの文字列表現を用いて曖昧さの異なる状態間を繋ぐ

WURCS=2.0/2,2,1/[a2122h-1b_1-5_2*NCC/3=O][a2112h-1b_1-5]/1-2/a4-b1

単糖の文字列化
SkeletonCode-AnomerInfo[_LIP[-LIP]MAP]
α-D-Glucopyranose

aldehyde-D-Glucose

β-D-Glucopyranose

Basetype(SkeletonCode, AnomerInfo)a2122h-1aRing(LIP, LIP)
a2122h-1a_1-5

o2122h1-5

a2122h-1b_1-5

N-acetyl(LIP, MAP)

L-Glucose

D-Glucose

2*NCC/3=O?

N-acetyl-α-D-Glucopyranosamine
α-D-GlcNAcp

Glucose??

炭素情報の系統化

SkeletonCode
隣接原子による立体等、炭素の置かれている化学的環境を元に記号化※”a”はアノマー炭素

a2122h-1a_1-5_2*NCC/3=O

単糖構造の曖昧化（潜在）カルボニル基

キラル炭素

化学的環境が不定な状態を表す記号を追加

立体情報について絶対配置、相対配置、不明の順に系統化
D/Lが不明な場合は、D体時の絶対配置を相対配置化

aldehyde

hemiacetaloa?-D-Glucopyranosea2122h-1x_1-5環の大きさ不明

絶対配置

12?-D-Glucose(ring)a2122h-1x_1-?

1
D配置

u2

相対配置

3D/L不明4aOD-Glucose
u2122hGlucoseu4344h

立体不明
不明

UHexoseuxxxxhx

単糖間の包摂関係表現

単糖の部分文字列を段階的に曖昧化することで、より曖昧な構造との関係を表現できる

RDF化による糖鎖構造検索への応用
Hexoseuxxxxh曖昧•D配置

GlucoGlucose
u4344h

L配置?-?-Glucose(cyclic)
L配置
a4344h-1x_1-?

?-L-Glucose(cyclic)
a1211h-1x_1-?

D配置<uxxxxh><u4344h>β-?-Glucopyranose
D配置a4344h-1b_1-5?-D-Glucose(cyclic)
a2122h-1x_1-?

直鎖

六員環
α-D-Glucose(cyclic)?-D-Glucopyranose a2122h-1a_1-?
a2122h-1x_1-5
βアノマー

αアノマー

β-D-Glucopyranosea2122h-1b_1-5

正確繋がっている構造間の状態の違いを定義することで、より具体的な関係性の記述も可能となる六員環

α-D-Glucopyranosea2122h-1a_1-5<u2122h><u2122h>

SELECT ?MSWHERE {<queryMS> subsumes ?MS .
}

D配置

D配置

subsumes
subsumes

検索構造
SPARQLによる単糖構造の検索
WURCS
構造名
• 検索単糖が包摂する単糖の検索 α-D-Glucopyranose a2122h-1a_1-5

環状

αアノマー

βアノマー

•GlucoD-Glucose
u2122h

六員環?-?-Glucopyranosea4344h-1x_1-5

単糖間の包摂関係を含む関係を曖昧化のルールに基づいて記述したWURCS-RDFデータを登録

D-Hexose
uxxx2h

環状

L-Glucoseu1211h環状

環状/直鎖不明

L配置

2h

D配置

hemiketal

ketonealdehyde-D-Glucose
o2122hアノマー不明a2

α-D-Glucopyranosea2122h-1a_1-5β-D-Glucopyranosea2122h-1b_1-5

まとめと今後の課題•••

D-Glucoseu2122h

検索結果
WURCS

構造名

a2122h-1a_1-5

α-D-Glucopyranoseu2122hD-Glucose

o2122haldehyde-D-Glucose

a2122h-1a_1-5

α-D-Glucopyranosea2122h-1a_1-4

α-D-Glucofuranosea2122h-1a_1-?

α-D-Glucose(ring)a2122h-1b_1-5

β-D-Glucopyranosea2122h-1b_1-4

β-D-Glucofuranosea2122h-1b_1-?

β-D-Glucose(ring)a2122h-1x_1-5?-D-Glucopyranosea2122h-1x_1-4?-D-Glucofuranosea2122h-1x_1-?

?-D-Glucose(ring)

WURCSの文字列表現に関する系統化を行うことで、単糖における包摂関係を表現できるようになった包摂関係をRDF化することで糖鎖構造検索への利用が可能に
単糖および糖鎖間の具体的な関係性を記述するためのオントロジーの整備が必要•

aldehyde-D-Glucoseo2122h

現在MonosaccharideDBで立体や化学構造の異なる単糖間の関係を記述するためのオントロジーを整備中•••

エピマー、糖アルコール、等

包摂関係も併せたオントロジーを整備し連携する
WURCSの文字列表現で、糖アルコールやデオキシ糖等、関連する糖誘導体との関係性も記述できるようにする
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